張 華,潘德峰,陳 鳳,楊 云,陳少穎
(1.江蘇省水利科學(xué)研究院,江蘇 南京 210017;2.江蘇省沿海水利科學(xué)研究所,江蘇 鹽城 224200)
土壤侵蝕是多種自然因素與社會(huì)因素共同作用的結(jié)果,降雨則是自然因素中導(dǎo)致土壤侵蝕的主要?jiǎng)恿Γ?]。大量的觀測數(shù)據(jù)分析結(jié)果表明,在自然界中只有部分降雨事件發(fā)生真正意義上的土壤侵蝕,這一部分被稱為侵蝕性降雨[2]。江蘇沿海圍墾地區(qū)由于土壤鹽分的含量較高,植被不易存活,裸露的地表受到雨水以及地面徑流的沖刷極易發(fā)生水力侵蝕。對海涂墾區(qū)典型坡度水土流失進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測,可為區(qū)域水土流失防治和生態(tài)環(huán)境保護(hù)提供理論支撐與實(shí)踐指導(dǎo)[3-6]。東臺市地處江蘇中部,東臨黃海,土壤及氣候特點(diǎn)在沿海地區(qū)具有代表性,在該地區(qū)進(jìn)行土壤侵蝕模數(shù)測定試驗(yàn)研究,可為類似地區(qū)水土流失治理和水土保持規(guī)劃提供科學(xué)依據(jù),為水土流失預(yù)測、生態(tài)環(huán)境保護(hù)以及災(zāi)害防治等提供參考。
試驗(yàn)區(qū)位于東臺市頭灶鎮(zhèn)東臺河北岸,地面高程4.1 m(黃海高程,下同),地形平緩,高低起伏不大。試驗(yàn)區(qū)屬沿海淤積性砂土區(qū),成陸開墾時(shí)間短,土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)性差、顆粒粗,結(jié)構(gòu)松散,類型單一,屬于江蘇省水土保持規(guī)劃確定的水土流失重點(diǎn)治理區(qū)。
試驗(yàn)共設(shè)置7個(gè)徑流小區(qū),坡度分別為1°、2.6°、5°、15°、26.5°、35°、45°,植被情況均為摞荒地[7-8]。為防止客水進(jìn)入試驗(yàn)小區(qū),在每個(gè)小區(qū)周圍都設(shè)有楔形保護(hù)墻,保護(hù)墻高55 cm,埋入地下部分30 cm,露出地上部分25 cm,墻的上口外緣向小區(qū)外呈60°傾斜,小區(qū)下部設(shè)有集流槽,集流槽內(nèi)光滑平整,上口與小區(qū)內(nèi)地面齊平,下口接集水池。為防止汛期集水池內(nèi)蓄水量超過集水池的設(shè)計(jì)容積,在集流槽內(nèi)設(shè)置三角堰進(jìn)行分流,分流出的徑流分別排入集水池和東臺河內(nèi)。集水池下端設(shè)有排水閥,便于排水后對泥沙進(jìn)行收集。
(1)降水量觀測:采用Φ200mmSJ1 型虹吸式雨量計(jì),自動(dòng)記錄每次降雨過程及瞬時(shí)雨強(qiáng)。
(2)水力侵蝕泥沙量監(jiān)測:對年內(nèi)具有代表性的階段降雨產(chǎn)生的泥沙進(jìn)行收集稱重,取樣測定干濕比,再折算成干土重,并對全年降水量及泥沙流失量進(jìn)行累計(jì)計(jì)算。
(3)土壤干容重測定:采用環(huán)刀法取樣,取地表以下5 cm土樣烘干,計(jì)算出土壤干容重。
(4)土壤顆粒級配:試驗(yàn)初測定1 次,采用比重法。取具有代表性的雨后侵蝕泥沙進(jìn)行分析,與原始土壤的顆粒級配進(jìn)行對比。
(5)土壤全鹽:采用電導(dǎo)法換算成鹽分值。
侵蝕性降雨年內(nèi)分布是土壤侵蝕情況的重要影響因子,對進(jìn)一步分析土壤侵蝕具有重要意義[9-13]。2021年試驗(yàn)區(qū)降水大都集中在5—10月份,期間降水量達(dá)到917.6 mm,占全監(jiān)測期總降水量的90.83%,7月份是全年中降水量最大的月份,降水量達(dá)到541.1 mm,占全監(jiān)測期總降水量的53.56%。全年降雨情況如圖1所示。
通過對整個(gè)監(jiān)測期內(nèi)具有代表性的4次典型降雨過程跟蹤觀測:5月14—16 日降雨42.5 mm;5月23 日至6月25 日期間降雨85.1 mm;7月4—5 日期間降雨163.7 mm;7月23—29 日期間降雨202.5 mm,監(jiān)測各小區(qū)產(chǎn)生的侵蝕量(kg/100 m2)。監(jiān)測結(jié)果見圖2。
通過圖2可以看出,隨著坡度的增加,4 種不同降水量下的土壤侵蝕量均呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢。坡度越大,侵蝕強(qiáng)度越大。但個(gè)別坡度規(guī)律會(huì)略有不同,原因歸結(jié)為土壤侵蝕量不僅與降水量有關(guān),而且與降雨強(qiáng)度也有很大關(guān)系。
圖2 4次不同降水量情況下各小區(qū)不同坡度土壤100 m2侵蝕量
圖3 為最大瞬時(shí)雨強(qiáng)下各小區(qū)土壤侵蝕強(qiáng)度對比,從圖3可以明顯看出,7月5 日年內(nèi)降雨強(qiáng)度最大,各小區(qū)土壤侵蝕量也最大,土壤侵蝕量占全年總侵蝕量的41.37%,尤其以5°以上的小區(qū)更為明顯。由此可見雨強(qiáng)也是土壤侵蝕的一個(gè)重要影響因素。
圖3 最大瞬時(shí)雨強(qiáng)下各小區(qū)100 m2土壤侵蝕量對比
以35°小區(qū)為例,選取年內(nèi)最具有代表性的2場降雨:5月14—16日大雨(12 h降水量20 mm)和7月4—6日特大暴雨(12 h降水量161.7 mm),對侵蝕產(chǎn)生的泥沙顆粒級配進(jìn)行對比分析。分析發(fā)現(xiàn):粒徑大于0.05 mm 的沙粒占總侵蝕量的25%~32.1%,低于初始土壤的41.5%;粒徑在0.05~0.01 mm 之間的粗粉粒占62.3%~73.7%,明顯高于初始土壤46.4%;粒徑在0.01~0.001 mm 之間的顆粒變化不大;粒徑小于0.001 mm的顆粒占1.0%以下,低于初始土壤的7.1%。因此,粒徑在0.05~0.01 mm之間的粗粉粒受水力侵蝕影響最大,最容易發(fā)生水土流失。其他坡度小區(qū)均呈現(xiàn)同樣的規(guī)律性。侵蝕土壤顆粒級配對比分析見圖4。
圖4 35°小區(qū)侵蝕土壤顆粒級配分析對比
通過對2021年不同坡度徑流小區(qū)土壤侵蝕量監(jiān)測數(shù)據(jù)的整理和分析,對照土壤侵蝕強(qiáng)度劃分標(biāo)準(zhǔn),得出:1°、2.6°、5°小區(qū)全年土壤侵蝕量低于2 500 t/km2,為輕度侵蝕區(qū);15°、26.5°、35°、45°小區(qū)全年土壤侵蝕量高于15 000 t/km2,為劇烈度侵蝕區(qū)。通過計(jì)算,各不同坡度徑流小區(qū)土壤侵蝕模數(shù)如表1所示。
表1 2021年典型坡度徑流小區(qū)土壤侵蝕模數(shù)
(1)江蘇海涂墾區(qū)土壤侵蝕強(qiáng)度與坡度呈正相關(guān)關(guān)系,坡度越大,土壤侵蝕強(qiáng)度越大。土壤侵蝕強(qiáng)度與降水量和雨強(qiáng)均呈正相關(guān),降水量越大,土壤侵蝕強(qiáng)度越大;雨強(qiáng)越大,土壤侵蝕強(qiáng)度亦越大。
(2)通過不同粒徑土壤顆粒對降雨侵蝕的適應(yīng)性分析發(fā)現(xiàn),粒徑在0.05~0.01 mm 之間的粗粉粒受水力侵蝕影響最大,最容易發(fā)生水土流失。所有坡度均呈現(xiàn)相同規(guī)律性。
(3)通過計(jì)算得出了1°、2.6°、5°、15°、26.5°、35°、45°7種坡度徑流小區(qū)土壤侵蝕模數(shù),小于5°小區(qū)以面層侵蝕為主,無明顯侵蝕溝產(chǎn)生;15°~45°小區(qū)出現(xiàn)明顯的侵蝕溝,中下部土體發(fā)生坍塌現(xiàn)象。